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关键词： 单轴转台   硬件设计   位置控制   PID控制   模糊PID控制  

摘要： 转台作为一种高精尖的光机电一体化设备,在飞行器设计实验、雷达伺服控制系统、兵器系统设计和量子通信领域具有重要作用。针对高精度转台的研究工作对于国防军工和经济民生事业的发展具有重要的意义和应用价值。本文讨论了转台研究的背景和意义,结合当前国内外转台发展的现状,介绍了当前国内外学者提出的各种高精度转台控制方法。结合转台的控制要求,本文采用模块化的设计方法对转台控制系统进行了硬件电路的具体设计和改进,并编写了转台控制系统的软件部分,通过实验实现了转台控制。本文对转台硬件电路部分的设计和改进主要包括,确立了单轴转台驱动部分选用直流无刷力矩电机,确定测角部分选用19位的绝对是光电编码器,选用STM32F103处理器作为控制电路板的核心,搭配相应的最小系统电路和外围接口电路,实现与上位机控制界面的通信,和反馈原件绝对式光电编码器的通信,通过数模转换元件,将经由控制算法得出的数字量转换为驱动电机运转的模拟量完成对转台的控制。软件部分主要包括通过VC++6.0编写了上位机控制界面,进行指令下发和数据图像的显示,下位机程序是通过Keil uVision5软件作为开发平台,选择广泛应用于单片机编程的C-51语言为编程语言,进行了控制算法程序的设计,完成了对转台的控制。本文讨论和介绍了传统PID控制器和模糊PID两种控制方法的基本原理,并根据两种算法具体的控制器设计方法,设计出了应用于转台系统的PID和模糊PID控制器。通过MATALB仿真工具测试了PID控制和模糊PID控制对于转台不带负载,增加负载,施加干扰信号,跟踪正弦曲线,施加波动力矩等情况下的控制情况,通过仿真结果表明了PID控制和模糊PID控制对于阶跃信号有良好的跟踪能力,对于输入的1HZ、5HZ、10HZ的正弦信号基本上能实现较好的跟踪,幅值衰减和相位之后都较小。最后,将传统的PID控制和模糊PID控制应用于转台的实物控制,通过实物的控制效果表明,无论是PID控制还是模糊PID控制位置精度都在10?之内,跟踪10HZ正弦信号时,幅度衰减和相位滞后都在10%的控制要求之内。模糊PID控制算法,响应更快,速度误差在1%之内,动态性能更好,稳态误差也更小,控制性能更加优良。

关键词： 小型无人直升机   数学模型   滑模控制   硬件设计  

摘要： 小型无人直升机应用范围广泛,覆盖了军事、民用及科研等领域。但是小型无人直升机系统具有多变量、强耦合、时变性、非线性等特点,使控制变得非常困难。针对以上问题,本文提出了一种基于扰动观测器的高性能飞行控制算法。具体而言,本文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)对小型无人直升机各部件的受力情况进行分析,根据机理建模方法建立了小型无人直升机的非线性数学模型并进行了合理的简化,为控制器的设计奠定基础。(2)针对小型无人直升机的轨迹追踪问题,本文首先利用传统滑模控制算法设计了小型无人直升机系统的位置环控制器和姿态环控制器。然后针对传统滑模控制算法出现的收敛速度慢和抖振严重问题,本文设计了快速终端滑模控制算法,有效提升了收敛速度,设计了干扰观测器用来补偿外部干扰和系统内部不确定性,从而减轻抖振。针对以上两种飞行控制算法,本文均利用Lyapunov定理证明了系统的闭环稳定性,利用SIMULINK仿真验证了控制算法的有效性。(3)根据无人直升机系统结构设计要求,完成了飞控系统的硬件设计和软件设计。搭建飞行试验平台,进行了小型无人直升机姿态控制飞行实验,验证了快速终端滑模控制算法的控制性能和控制品质。

关键词： 现场可编程逻辑门阵列   卷积神经网络   硬件结构优化   互联结构   验证方法学  

摘要： 为保证电网安全稳定运行,输电线路需要定期巡检。电力巡检工作难度大、准确率低、且存在安全隐患,因此无人机成为目前电力巡检的主要发展方向之一。但无人机采集的海量巡检数据仍需巡检人员逐帧筛选,工作繁重。于是,对智能化的电力巡检识别系统的需求尤为迫切。近些年,卷积神经网络在图像分类与检测、目标追踪等方面都有着较好的表现,可用于实现智能电力巡检。本文旨在根据项目实际应用需求,基于FPGA实现无人机机载的人工智能输电线路巡检系统的硬件设计,提升无人机电力巡检的智能化、实用化水平和巡检的效率,为无人机电力巡检的规模化产业应用提供了有力的支撑。首先,对卷积神经网络算法进行详细分析,设计了一款卷积神经网络硬件加速器。该加速器采用数据轻量化与传输重叠优化的方法提高硬件性能与降低资源消耗;采用数据对齐并行处理,多卷积核并行计算的方法实现了并行度提升;最终根据项目需求进行器件选择,建立硬件资源与性能的数学模型,通过数值求解,生成性能与资源协同优化的高能效并行卷积神经网络硬件架构。其次,结合整体硬件通信需求,对AXI总线协议的传输特点进行分析,设计了一种基于AXI总线协议的互联结构模块。该模块采用接口转换、轮询仲裁、地址偏移等方法,实现了多主从设备之间的数据传输。其设计简单、反应时间短、各个主设备占用总线资源较为平均,适用于多种应用场景。最终,搭建基于UVM的软硬件协同验证平台对卷积神经网络硬件加速器进行验证与仿真。平台主要包括驱动器、监视器、参考模型、计分板等硬件部分,以及软件驱动等软件部分。该平台可实现内外部数据交互,寄存器读写,用例结果检查,覆盖率收集及生成用例报告。实验结果表明,基于Xilinx Zynq XC7Z030芯片实现的16比特定点数的卷积神经网络加速器在175 MHz频率下绝缘子检测速率可达到27.78帧/s,是运行同一网络的CPU平台性能的4.33倍;加速器动态功耗为2.3 W,相比于CPU和GPU平台,功耗下降了84.85%～96.29%。综上所述,基于FPGA的卷积神经网络加速器具有低功耗,性能较高的特点,更适合于实现满足无人机嵌入式前端实时分析要求的人工智能电力巡检硬件系统。

关键词： 氮化镓   伺服驱动系统   硬件设计   电磁干扰抑制   频率调制  

摘要： 伺服控制系统,尤其是高精度、高控制性能的伺服系统目前广泛应用于航空航天、自动化、运动机器人、运动控制和新能源电动汽车等各个领域中。目前伺服系统主要的逆变器采用的器件为Si材料制作的IGBT,由于其性能的限制,尤其是目前对Si材料的研究已接近其理论极限,因此伺服系统向更大功率密度、更小体积尺寸的发展遇到了瓶颈。在工业机器人,航空航天空间站等领域,向更大功率,更小体积发展是大势所趋,是未来的机遇和挑战。宽禁带材料主要包括氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC),由于其耐压和耐流更大,因此适合在功率更大的场合使用。宽禁带器件开关频率非常高,因此可以减小驱动器和逆变器的体积,有利于实现更高的功率密度,实现真正的驱控一体化,并且整个系统的效率可以得到极大提高,因此具有重大的意义。本文搭建基于GaN宽禁带器件的伺服驱动控制系统。首先分析驱动回路和功率回路寄生参数对GaN高频驱动系统的影响,分析了串扰和端电压震荡产生的原因,根据建模分析得到寄生电容和寄生电感对驱动系统的影响,之后依据参数影响分析完成了原理图和PCB的设计,改进GaN伺服驱动系统的散热方式,完成了样机的制作。然后,分析电机控制系统中电磁干扰(EMI)产生的机理以及导致的危害,其中着重分析在使用宽禁带材料的电机驱动系统当中,由于高开关频率和过大的dv/dt和di/dt导致的尖锐的电磁干扰现象,从软件抑制角度方面介绍目前常用的频率调制方法;之后依据直接数字频率合成技术提出本文采用的无等待载波连续频率调制策略,分析载波形式、扩频范围和调制系数对电磁干扰的抑制效果,通过理论分析证明所提频率调制算法的优越性。最后,完成基于无等待载波连续频率调制算法的控制器的参数设计,并且通过FPGA完成电机的双闭环控制,在平台上进行驱动性能的测试,结果证明高开关频率下的伺服驱动系统具有优越的性能,并且电流环和速度环带宽都得到提升,EMI得到明显的抑制,驱动系统具有优异的性能。

关键词： 单片机   点钞机   软件设计   硬件设计  

摘要： 随着我国社会经济的快速发展,我国的货币流通也更加地广泛和重要,但是,由于不法分子通过制造假币来谋取利益,给货币流通带来了极其恶劣的影响,也极大地损害了消费者的权益.因此,点钞机就显得尤为重要,通过点钞机可以科学地辨别钞票的真伪,从而规范市场货币流通.但是,传统的点钞机系统存在着智能化程度低、出错率高等问题,所以,本文提出了一种基于单片机控制的点钞机系统,并对其进行了设计研究.

关键词： 卡尔曼滤波   可重构计算   多路并行   矩阵求逆   LU分解  

摘要： 卡尔曼滤波算法是经典的滤波算法,将状态空间的概念映入到信号滤波的计算当中来,同时可根据过去的状态结合新的观测输入值对滤波的估计值进行优化,在雷达滤波、机器人控制、导弹制导、无人车导航等领域有着非常广泛的运用。国内外学者目前的研究主要集中在滤波的实时性、精确性和算法优化上,本文采用可重构的设计方法对卡尔曼滤波算法硬件实现的关键技术进行了研究。本文围绕卡尔曼滤波算法,主要完成以下两方面工作:第一,本文基于可重构技术设计了一款卡尔曼滤波硬件加速器,整个滤波加速器采用同一套计算资源和存储资源,利用可重构控制器针对不同状态下的计算网络和存储网络进行相应重构,相比现有的卡尔曼滤波硬件实现资源利用率提高了 40%—50%。第二,针对卡尔曼滤波算法中的矩阵求逆运算,本文设计了一种基于LU分解的矩阵求逆硬件实现模块,针对矩阵求逆中的三角矩阵求逆本文提出了多路并行的硬件实现方案,以两路并行为例相比传统的矩阵LU分解运算速度提升了0.95倍,针对卡尔曼滤波当中矩阵加法、矩阵乘法的硬件实现均采用三路并行流处理的设计方式,相比传统的电路实现方法性能提升了 1.8倍。此外,我们还对卡尔曼滤波硬件加速设计进行了性能评估,测试结果表明本文设计的硬件实现方案在滤波运算的精度、滤波效果上都可以很好的满足伺服控制系统的应用需求。

关键词： 目标模拟器   被动辐射噪声   回波特性   硬件设计   软件设计  

摘要： 水下目标探测是维护海洋安全的重要任务之一。近些年来,低噪声目标的出现以及隐身技术的发展,在目标探测的过程中,对主、被动声呐系统性能的要求不断提高。在设计开发更高性能的声呐系统时,往往需要真实目标进行验证,这将会耗费大量的人力以及物力。设计一套搭载在UUV平台的目标模拟器是很有必要的。该模拟器能够在水下按预定航线自主航行,可以模拟被动辐射噪声,也可以模拟水下目标的回波特性。本论文研究的是目标模拟器的信号处理部分。根据目标模拟器的功能,首先介绍了水下目标辐射噪声的模拟原理和中、高频主动声呐探测信号的回波模拟原理;其次是对目标模拟器信号处理部分电路的设计,包括模拟电路和数字电路;然后是对目标模拟器信号处理部分软件的设计,实现目标模拟器的相应功能;最后对目标模拟器的各个功能模块进行了测试验证。在硬件设计上,由于搭载在UUV平台,所以器件的选型以体积小与低功耗为主。主要包括模拟接收机、信号采集电路、信号存储电路、信号处理电路、数据转发电路、串口通信电路等。在软件设计上,由于处理器能力的限制,需要优化程序来充分调用DSP的硬件资源,来实现目标模拟器的各种功能。对于论文中的设计思想和使用方法,均是为了工程实践,希望能给从事相关工作的工作者提供一些帮助。

关键词： 水声通信   多载波扩频技术   DSP   硬件电路设计  

摘要： UUV(unmanned under-water vehicle),一种在陆上基站、水面舰船等支援平台援助下,在水下能够无人自主性的完成设定任务的潜器。因其可以无人无缆自主性航行、携带多种采集器水下作战设备,对海洋进行探索是非常好的解决方式。目前随着人类探索海洋的不断深入,对UUV的要求也在不断地提高,需要声通信建立起水下UUV与支援平台间的联系,完成复杂的水下作业。针对水下UUV声通信机需要较稳定的通信、通信数据量较大需要较快的传输速率、体型尽可能小的需求,本文基于DSP处理器设计实现一套水下UUV声通信机,能够完成水上设备和水下UUV之间的数据传输。根据系统指标计算出系统参数并据此设计出系统硬件平台的设计方案与系统通信算法的确定。系统硬件部分应具备前放、MSP430功耗控制、A/D、DSP处理、D/A、收发合置等,能够完成信号的发送和接收处理,DSP和功放的电源控制降低功耗。系统采用的通信算法是MC-CDMA这种将扩频与OFDM结合的通信方式。它将扩频和OFDM的优点集合到一起,具有传输稳定、抗干扰、保密、频谱利用率高、抗多径和频率选择性衰落等特点可以完成水下UUV和水上平台之间的数据信息交互。最后对整个声通信机进行电联调,符合要求后在水池中展开测试,模拟实际应用场景验证设备的整体功能,达到设计要求。

关键词： 药品装盒机   控制系统   功能模块   硬件设计  

摘要： 包装设备是工业生产的重要环节，随着自动化技术的发展，包装设备正在向高智能化、多功能、高效率及低功耗方面发展，药品装盒机是包装设备的一种，用于实现药品自动装盒及包装。　　本文对药品装盒工作流程和控制要求进行了分析，从结构和控制两方面对设备功能进行了设计，控制单元的主控制器采用西门子公司的S7-200系列的PLC，通过采集气缸的磁性开关、位置开关、旋转编码器等信号，实现对气动单元、输送电机和伺服电机的控制，并能通过上位机（昆仑组态触摸屏）对系统运行进行控制、数据修正和显示。根据系统的结构特点，药品自动装盒机按照模块化和集成化的设计策略，对设备设计采用“模块化”，对各个模块的功能、原理及硬件结构进行了设计，同时为保证系统的稳定性，硬件尽量选用技术成熟的集成化设备。同时为了保证设备的运行效率，针对设备中的气动单元，设计和研究了合理的气动控制回路，并将PID算法应用其中，保证了回路中压力的恒定。　　本文在保障系统性能的基础上，充分考虑了系统的可靠性、稳定性和安全性，经测试，该设备药品装盒速度为170件/分钟，分拣环节对于不合格产品能够准确剔除，符合系统设计要求。

关键词： 数字化仪   高精度采样   等效采样   时钟抖动  

摘要： 数字化仪能够将模拟信号数字化,并对采集到的数字信息进行数字信号处理,是时域和频域测试中应用广泛的测试仪器之一。LXI集中了GPIB的易用性、VXI的高性能和小尺寸以及以太网的灵活性和高吞吐能力,便于组建网络化、分布式的自动测试系统。因此研制LXI数字化仪具有重要的现实意义。本课题研究设计的高精度LXI双通道数字化仪达到了100MS/s最大采样率;输入频率为1kHz以下时的系统精度误差为0.03%。适合应用在数字万用表的采样率或示波器的分辨率不能满足测试要求的场合。本课题研究的具体内容如下:(1)数字化仪硬件总体方案。围绕数字化仪的硬件系统设计展开研究,介绍了LXI数字化仪的各个组成部分,说明了关键电路在实现课题指标中起到的重要作用。(2)硬件电路设计与实现。阐述了模拟前端的组成结构,详细分析了一种低噪声的信号调理通道。并通过电路测试和噪声模型分析的方式,评估了信号调理通道的抗干扰性能。同时在建立线性校准模型的基础上分析了偏置误差与增益误差的校准方法,给出了一种双通道多档位的硬件自校准方案。(3)时钟抖动分析与顺序等效采样电路设计。在论述抖动的产生、定义与分类等相关理论的基础上,研究了等效采样中的时钟非均匀性。采用相位延迟的方法,实现了低抖动的延时,给出了一种顺序等效采样在高分辨率采样系统中的应用方案,并提出了通过时间间隔测量进一步减小顺序等效采样时钟非均匀性的方法。通过对各个功能模块的调试和整机系统性能的测试,本课题设计的双通道数字化仪的采样率、模拟带宽以及精度等主要指标基本达到设计要求,其低抖动顺序等效采样方案和硬件自校准方法保证了系统的稳定可靠。